JP7259379B2

JP7259379B2 - 多層膜回折格子

Info

Publication number: JP7259379B2
Application number: JP2019022387A
Authority: JP
Inventors: 雅人小池
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2023-04-18
Anticipated expiration: 2039-02-12
Also published as: JP2020128950A

Description

本発明は、軟Ｘ線波長領域においる回折格子において、回折格子溝形状及びその上に積層する下地金属膜と多層膜の構成を最適化することにより、１０層以下の少ない積層数で回折効率を高めた回折格子製作技術に関する。

エネルギーが約０．１ｋｅＶから４ｋｅＶ付近の軟Ｘ線（波長：０．３ｎｍ～１２ｎｍ）を反射型回折格子で分光する場合、実用的な回折効率を得るため、回折格子に対して入射光を回折格子面とすれすれの方向から入射させる斜入射条件で使用する。

軟Ｘ線領域では回折格子の表面に反射膜として積層する物質の屈折率ｎ_Mは１よりわずかに小さい。高い回折効率を得るためには一般に、回折格子面に垂直な法線方向から測った入射角αが鏡面の全反射条件であるｓｉｎα≧n_M（a≧π/2-｛2(1-n_M)｝^1/2）を満たすようにする。しかしながら、回折格子の溝の効果により回折される光のエネルギーは、正反射条件を満たす零次光や多くの次数光に分散されるだけでなく、表面物質内に吸収される成分も存在するため、計測に利用される１次光（または-１次光）の強度は回折格子溝のない鏡の全反射の場合の強度に比較して非常に弱くなる。このため、例えば溝形状が矩形状のラミナー型回折格子においては、溝の深さ、凹凸の山面と谷面の面積比を最適化し、山面と谷面からの光が所望の回折次数の光の回折光方向で強め合う正の干渉を起こすように設計される。

さらに、軟Ｘ線領域で高い回折効率を得る方法として、回折格子表面に低密度物質層と、前記低密度物質層よりも密度が高い高密度物質層を交互に周期的に積層して形成された構造を具備する軟Ｘ線多層膜回折格子を用いる方法がある。この方法は高密度物質層で回折された各光が干渉し、光が強められる必要がある。このためには、入射光を多層膜の膜内部まで侵入させる必要があるが、軟Ｘ線領域の全反射条件では侵入深さが小さいために膜内部まで光が侵入できず、多層膜の効果を活かすことができなかった。このことが軟Ｘ線多層膜回折格子で高い回折効率を得ることを困難にさせていた。

それに対して軟Ｘ線回折格子の表面に従来から用いられている基本反射膜層の上に光の吸収が小さい物質の増反射膜層を最適な厚さで積層することにより、回折効率を向上させることができることが数値計算や実験により見出されている。

特開２００６-１３３２８０号公報特開２０１１-１４１１２９号公報特開２０１５-０９４８９２号公報

M. Koike et. al., "Enhancement of diffraction efficiency of laminar-type diffraction gratings overcoated with diamond-like carbon (DLC) in soft X-ray region," AIP Conf. Proc. 1741, 040045 (2016), (4pages) ; doi: 10.1063/1.4952917. T. Imazono et al., "Experimental evaluation of enhancement of diffraction efficiency by overcoating diamond-like carbon (DLC) on soft X-ray laminar-type gratings," AIP Conf. Proc. 1741, 040043 (2016), (4 pages) ; doi: 10.1063/1.4952915.

全反射条件によって数十ナノメートル程度の深さの物質内部までしか光エネルギーが侵入できない軟Ｘ線領域において、表面反射膜層として一般に用いられる金等の単層膜を用いた回折格子の回折効率を改善する。

本発明に係る回折格子では、溝が刻線された所定面上に、使用入射角において吸収のため透過光が存在しない厚さの金（Ａｕ）、白金(Ｐｔ)、ロジウム（Ｒｈ）、タングステン(Ｗ)の基本反射膜層があり、その上に多層膜層として消衰係数が小さく、屈折率が1より僅かに小さい炭素（Ｃ）、炭化ボロン（Ｂ４Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）のいずれか、もしくはそのいずれかを含む化合物の薄膜層Ａとオスミウム（Ｏｓ)、イリジウム（Ｉｒ)、タングステン(Ｗ)のいずれか、もしくはそのいずれかを含む化合物の薄膜層Ｂを周期的に付加し、軟Ｘ線回折格子の回折効率を向上させる。

本発明では、回折格子の基本反射膜層と多層膜層の相関効果により、入射エネルギーが零次を含む反射回折光として回折される割合が増加するため、全反射条件によって物質内部まで侵入できないエネルギーの軟Ｘ線領域において、金等を反射膜とする一般に用いられる回折格子の回折効率を広い波長範囲で改善することができる。

従来の形態となる回折格子の構造を示す図である。本発明の実施の形態となる回折格子の構造を示す図である。従来の形態となる回折格子の回折効率の波長依存性を示す図である。本発明の形態となる回折格子の回折効率の波長依存性を示す図である。基本反射膜層がＡｕ（ｄ_１＝ 30.0 nm），多層膜層がＣ（ｄ_２＝ 7.4 nm）とＯｓ（ｄ_３＝6.0 nm）が2周期の場合。本発明の形態となる回折格子の回折効率の波長依存性を示す図である。基本反射膜層がＡｕ（ｄ_１＝ 30.0 nm），多層膜層がＣ（ｄ_２＝ 7.4 nm）とＩｒ（ｄ_３＝6.0 nm）が2周期の場合。本本発明の形態となる回折格子の回折効率の波長依存性を示す図である。基本反射膜層がＡｕ（ｄ_１＝ 30.0 nm），多層膜層がＣ（ｄ_２＝ 7.4 nm）とＷ（ｄ_３＝6.0 nm）が2周期の場合。

発明者は矩形状の溝形状を持つラミナー型の軟Ｘ線回折格子の回折効率を一定の波長範囲で高めるには、従来の形態である基本反射膜表面にある種の物質を一定の厚さで積層させればよいことを見いだした（非特許文献１、２）。探索の結果鉄のL発光(Fe-La,b)の波長 1.7～1.8 nm（700～720 eV）を中心とした領域の回折効率を高めるには回折格子溝が刻線された表面上に、使用入射角において吸収のため透過光が存在しない厚さの金（Ａｕ）、白金(Ｐｔ)、ロジウム（Ｒｈ）、タングステン(Ｗ)の基本反射膜層があり、その上に多層膜層として消衰係数が小さく、屈折率が1より僅かに小さい炭素（Ｃ）、炭化ボロン（Ｂ４Ｃ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）のいずれか、もしくはそのいずれかを含む化合物の薄膜層Ａとオスミウム（Ｏｓ)、イリジウム（Ｉｒ)、タングステン(Ｗ)のいずれか、もしくはそのいずれかを含む化合物の薄膜層Ｂを１周期以上付加することにより軟Ｘ線回折格子の回折効率が向上することを見出した。

以下、本発明の実施形態の基本となる従来型の軟Ｘ線用ラミナー型回折格子（形態Ｏ）の構造を、図１を用いて詳細に説明する。直交座標系において、x軸を回折格子表面中心Oでの回折格子の垂線（法線）方向、y軸を中心Oでの回折格子面の接線方向、z軸を中心Oにおいて紙面に垂直な軸とする。この時、x軸方向から入射光の方向へ張る角度を入射角（α）とする。したがって、回折格子面から入射光の方向に張る角度θとの間にはθ＝９０°－αの関係がある。また、x軸方向から測定に用いる波長（λ）の回折次数（m）が+１次の回折光の方向を回折角（β）とする。角度αとβの双方について符号はx軸から反時計廻りを正とする。回折格子溝はラミナー型と一般に称される矩形波状であり、材質がＳｉＯ２等の基板１の表面に、溝周期である格子定数（σ）、溝の山部の長さ（a）、溝深さ（h）の格子溝が形成されている。因みに角度α、β及び波長λ、格子定数σの間には回折格子に式と称されるsinα+sinβ=λ/σの関係がある。

従来型のラミナー型回折格子及び本発明の実施の形態となる回折格子の基板１として、例えば格子定数σ = 416.7 nm （1/σ = 2400 本/mm）、h = 6.2 nm、デューティ比(a/σ) = 0.40（a = 167 nm）のラミナー型の格子溝を用いる。

図１に基板１上に基本反射膜層２を堆積した従来型のラミナー型回折格子の形態を示す。

図２は本発明の形態を説明する図である。ここでは回折格子基板１上に基本反射膜層２が膜厚d₁で堆積されている回折格子の上に回折効率を高める多層膜層３、４をそれぞれ膜厚d₂、d_３で積層する。

図３は図１で示した形態の回折格子において基板１として、格子定数σ = 416.7 nm （1/σ = 2400 本/mm）、h = 6.2 nm、デューティ比(a/σ) = 0.40（a = 167 nm）のラミナー型の回折格子に基本反射膜層２としてAuを30 nm付加した場合の0.6 nm～6 nmの軟X線に対する回折効率の波長依存性を示す図である。入射角αは88.65°である。

図４は図１で示した形態の回折格子において基板１として、格子定数σ = 416.7 nm （1/σ = 2400 本/mm）、h = 6.2 nm、デューティ比(a/σ) = 0.40（a = 167 nm）のラミナー型の回折格子に基本反射膜層２としてAuを30 nm付加し、さらに多層膜層がＣ（ｄ_２＝ 7.4 nm）とＯｓ（ｄ_３＝6.0 nm）が2周期の場合の0.6 nm～6 nmの軟X線に対する回折効率の波長依存性を示す図である。入射角αは86.20°である。

図５は図１で示した形態の回折格子において基板１として、格子定数σ = 416.7 nm （1/σ = 2400 本/mm）、h = 6.2 nm、デューティ比(a/σ) = 0.40（a = 167 nm）のラミナー型の回折格子に基本反射膜層２としてAuを30 nm付加し、さらに多層膜層がＣ（ｄ_２＝ 7.4 nm）とＩｒ（ｄ_３＝6.0 nm）が2周期の場合の0.6 nm～6 nmの軟X線に対する回折効率の波長依存性を示す図である。入射角αは88.65°である。

図６は図１で示した形態の回折格子において基板１として、格子定数σ = 416.7 nm （1/σ = 2400 本/mm）、h = 6.2 nm、デューティ比(a/σ) = 0.40（a = 167 nm）のラミナー型の回折格子に基本反射膜層２としてAuを30 nm付加し、さらに多層膜層がＣ（ｄ_２＝ 7.4 nm）とＷ（ｄ_３＝6.0 nm）が2周期の場合の0.6 nm～6 nmの軟X線に対する回折効率の波長依存性を示す図である。入射角αは88.65°である。

図３と図４，５、６を比較したらわかるように1.5 nm～6 nmの広い波長領域で回折効率が２倍以上改善していることが判る。

電子顕微鏡に搭載した軟X線発光回折格子分光器に組み込むことにより、電子線で試料を励起し、鉄鋼のなどの軟X線発光の分光計測に基づく微量成分分析、鉄を含む永久磁石材料開発、スピントロ二クスデバイス中における鉄化合物の状態分析等に用いることができる。また、励起源として各種加速器等により生成される放射光、イオンビーム、高周波放電、プラズマ放電光源等も用いることができる。

１…回折格子基板
２…基本反射膜層
３…薄膜層Ａ
４…薄膜層Ｂ

Claims

軟Ｘ線分光計測に用いる表面に周期的な凹凸を持つ回折格子と、
前記回折格子の表面に順に積層された基本反射膜層と多層膜層とを有し、
前記基本反射膜層が、波長1nm～20nm内の目的電磁波の浸透深さよりも厚い金（Ａｕ）から成り、
前記多層膜層が炭素（Ｃ）から成る薄膜層Ａと、オスミウム（Ｏｓ)、イリジウム（Ｉｒ)、タングステン(Ｗ)のいずれか、もしくはそのいずれかを含む化合物から成る薄膜層Ｂとを１周期以上積層したものであることを特徴とする多層膜回折格子。
請求項１記載の多層膜回折格子において、
前記回折格子の表面の凹凸が断面矩形状である多層膜回折格子。
請求項１又は２に記載の多層膜回折格子において、
前記多層膜層の周期が半整数（例：１．５、２．５周期）であることを特徴とする多層膜回折格子。
請求項１～３のいずれかに記載の多層膜回折格子において、
前記多層膜層を構成する物質の膜厚が膜層ごとに異なることを特徴とする多層膜回折格子。